问题

叶克膜(ECMO)是一种什么技术?

回答
叶克膜,也就是我们常说的体外膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation, ECMO),它其实是一种非常强大、但又充满挑战的生命支持技术。简单来说,它就像是给身体内部的“发动机”——心脏和肺——暂停休息的机会,然后用一个体外的人工系统来替它们完成工作,让身体有时间恢复。

我们不妨把它想象成一个非常精密的“人工循环器官”。正常情况下,我们的心脏负责泵血,让血液在全身循环;肺部负责从空气中提取氧气,并排出二氧化碳。当心脏或肺部因为各种原因,比如严重的感染、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、心肌梗死、心力衰竭,甚至是某些中毒情况,而无法正常工作时,ECMO就能介入了。

它的核心原理是:

1. 引血(Venous Cannulation): 从身体的大静脉(通常是股静脉或颈静脉)抽出身体里缺氧、二氧化碳含量高的静脉血。这就像是在身体循环系统的一个“回收口”把血引出来。
2. 氧合与二氧化碳清除(Oxygenation and Carbon Dioxide Removal): 把引出来的血液通过导管输送到ECMO机器里。这台机器的核心部分是一个膜肺(Membrane Lung),它模仿了肺泡的功能。血液在通过这个膜肺时,会被分成很薄的一层,紧贴着一个特殊的膜。膜的另一侧则流动着氧气。氧气会透过这个膜进入血液,而血液里的二氧化碳则会透过膜排出到机器的排气口。这个过程就完成了“换气”。
3. 驱动(Pumping): 为了让血液在体外循环起来,ECMO机器还需要一个泵来提供动力。这个泵可以是离心泵(Centrifugal Pump),它利用旋转来推动血液流动,对血液的损伤相对较小;也可以是滚压泵(Roller Pump),虽然效率高,但对血液的机械损伤会大一些,现在在成人应用中离心泵更普遍。
4. 回输(Arterial or Venous Cannulation): 经过膜肺氧合、二氧化碳清除、并被泵驱动后的血液,会通过另一根导管输送回身体的动脉(如股动脉)或者静脉(如股静脉)。如果是输回动脉,就称为动静脉通路(Arteriovenous, AV mode),它同时支持心脏和肺;如果是输回静脉,但通过一个假体的连接把氧合血回输到心脏的某个腔室,就称为静脉动脉通路(Venoarterial, VA mode),主要支持心脏。而主要支持肺功能的是静脉静脉通路(Venovenous, VV mode),血液从静脉引出,在体外氧合后再回输到静脉系统,这样血液循环仍然由患者自身的心脏驱动。

说得更具体一点,ECMO系统主要包含几个关键部分:

管道(Tubing): 连接身体和机器的特殊管道,通常是半透明的,能够承受血流的压力和速度。
膜肺(Membrane Lung/Oxygenator): 这是ECMO的心脏和肺。里面布满了微小的孔隙,形成巨大的表面积,让血液和氧气之间进行高效的气体交换。
泵(Pump): 提供驱动力,确保血液在体外循环。
监测系统(Monitoring System): 实时监测血液流速、压力、温度、氧合情况、二氧化碳水平,以及患者的各项生命体征。

ECMO的作用和意义,远不止“机器替你呼吸”这么简单

它的核心价值在于为那些生命垂危、自身器官功能衰竭到无法维持生命的患者提供“桥梁”。

给器官休息和恢复的机会: 当心脏或肺严重受损时,它们需要完全的休息才能有修复的可能性。ECMO通过接管它们的工作,让它们摆脱高负荷状态,争取宝贵的修复时间。
克服治疗瓶颈: 很多情况下,传统的药物或机械通气已经无法满足患者对氧气的需求,或者药物的副作用太大。ECMO可以在这些“绝境”中提供一个可行的支持。
作为特殊手术的支持: 有些心脏移植、肺移植手术,或者一些复杂的先天性心脏病矫治手术,在手术过程中,心脏或肺可能需要暂时停跳或功能暂停,ECMO就能在此期间提供生命支持。
克服某些中毒或过敏反应: 在某些罕见但危急的情况下,ECMO还可以帮助清除体内的毒素或代谢产物,起到一种“体外血液净化”的作用。

然而,ECMO也绝非“万能药”,它是一项高风险、高投入的技术

技术要求极高: 操作ECMO需要经验丰富的医生、护士和体外循环师团队。导管的置入、机器的调试、参数的调整,都需要精准和默契的配合。
潜在并发症多:
出血: 因为要将血液从体内引出,并可能使用抗凝药物来防止血液在机器内凝固,所以出血风险很高,可能发生在穿刺部位,也可能发生在体内任何地方。
血栓形成: 血液在机器和管道中流动,如果抗凝不足,很容易形成血栓,堵塞膜肺或管道,甚至脱落导致栓塞。
感染: 任何体外循环都会增加感染的风险。
机械性损伤: 血液在机器中流动,可能受到一定程度的机械性损伤,例如血细胞破裂(溶血)。
脏器损伤: 长时间使用ECMO,尤其是在机器的血流动力学影响下,可能导致其他器官(如肾脏、肝脏)的功能受到影响。
再灌注损伤: 当患者原有的器官功能恢复,需要撤离ECMO时,器官在突然恢复血液供应后,可能出现炎症反应,称为“再灌注损伤”。

总而言之,ECMO是一项集成了血管外科、心内科、呼吸科、重症监护、体外循环技术等多个学科的尖端生命支持手段。它在挽救那些濒临死亡的危重患者生命方面发挥着不可替代的作用,但同时也是一把“双刃剑”,需要医生和团队对其利弊进行周密权衡,并在严格的监测下谨慎使用。它的出现,极大地拓展了现代医学在危重症救治方面的边界。

网友意见

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终于碰到一个和工作有点相关的问题,这就答一下,水平有限,我只回答ECMO中重要部分——膜接触组件的部分,如果有错误敬请指正。

我所在的部门是做中空纤维脱气膜的,对,就是液体里面脱除气体,但是反过来,中空纤维膜也是可以给液体充气的,而膜氧合就是中空纤维的一种应用。

如果要给血液里充氧气,最简单的方法就是气浮,水族馆里很常见,但这种手段肯定不能用于体外心肺循环系统的供氧,这么多气泡进入人体,血氧浓度没上来,气泡引起的血栓就已经足够致命了。这里要简单说一下氧气在液体中的溶解,在常温、一个大气压下,氧气在水中的溶解度大概是8ppm,即大约8mg/L,如何提升这个数值呢?降温(氧气的溶解度随着温度升高而降低)或者加压(提高氧气分压),大家可以百度下亨利定律。通过这种简单手段即可以提升水中的溶解氧浓度。

说回ECMO,那我们直接给肺功能障碍的患者血液导出来,直接暴露在纯氧环境中就可以了吗?没那么简单,血液与氧气的接触面积太少了!如果把血液抽出来放在纯氧氛围的容器里,只有与氧气接触的一个液面能够快速溶解氧气,短时间内血液还是无法达到身体需求。放久一点?直接凝血了哦。

中空纤维就提供了一个很好的界面,血液和氧气被中空纤维膜分隔,血液在中空纤维内部,氧气在中空纤维外部。(或者反过来也行,反正要用膜把血液和氧气隔开来)

Ok,血液从中空纤维内部流过,外部通纯氧,中空纤维就是它们氧合的平台了,一根纤维这么细,就算长几十厘米也只能容纳几微升(没仔细算过瞎编的)的血液,但是这么一根细细的纤维却提高了极大的表面积可以让血液充分氧合,氧气通过中空纤维膜上的微孔进入膜,最后在血液侧溶解。一根不够?1000根够吗?2000根呢?我们可以使用数量庞大的纤维提供一个惊人的表面积来给氧气在短时间内溶解于血液中。

效率受气膜传质、膜传质、膜液传质影响,是一个很复杂的过程,此处不展开了。

好啦,血液能够获得巨大的表面积,就可以快速得获得膜另外一侧的氧气了。由于存在浓度梯度,氧气会自然而然地溶解在血液中,而且由于膜上的孔很小,只有几十纳米,氧气并不会变成气泡进入血液,防止血栓形成(不同膜的孔径不一样,其实就算没有孔,氧气也可以自由进出膜,思考一下这是为什么呢?)

是不是很简单?用PP聚丙烯料纺丝制得中空纤维,拉伸一下得到小孔,做成膜组件,加上恒温设备和泵就OK了嘛,这套工艺非常成熟了呀,为什么ECMO还那么贵呢,国产化也基本没有呢?

其实不然,否则氧合膜也不会被称作是ECMO的核心了。原因如下:

1.PP膜的孔径控制不好,而且表面能太高了,在30mN/m左右,远高于血液的表面张力,血液会浸润膜表面并透过,直接不能用了,所以现在主流用的是PMP(聚-4-甲基-1-戊烯),和PP是亲戚,但是表面能很低,只要控制好孔径,就是一个很好的替代品。

2.膜组件的污染控制,膜组件的制作会使用的不止PP或PMP,还有胶水,溶出控制是一大难题。

许多答主有提到ECMO的膜用的都是3M提供的,其实是其旗下Liqcel的一种产品,膜氧合只是Liqcel比较小的一块业务,主要还是做液体脱气(就是在纤维外侧抽真空,纤维内侧的液体里的溶解气体就跑到纤维外侧去啦)

PMP材料做膜的还有日本的DIC,用于油墨脱气(也是因为油墨表面张力很低才选择PMP)

国内杭州有家企业在做这个,名字就不透露了。

我做的是PP膜,主要也是用于液体脱气或者废水脱除氨氮。PMP我也试过,孔径控制不好,用油墨泡过几天还是被浸润了,血液没有试过。

其实,膜被血液浸润也没有关系,大不了直接换一只,做日抛型的也可以。膜其实很便宜,成本低的不敢想象,ECMO这么贵,我觉得是有一部分的原因在于没有充分国产化。当然我能理解3M的膜这么贵也是由于前期投入大。

思绪有点乱,文字没有什么逻辑,敬请谅解。

我们确实没有这个能力去做医疗器械。。。。。。太可惜了。

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